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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Kupplungsvorrichtung mit
elektromagnetischem Pulver als Wirkstoff und insbesondere ein auf eine
Kupplungsvorrichtung mit elektromagnetischem Pulver, die eine Kupplung oder eine
Bremse umfaßt, anwendbares Kühlsystem.
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Hauptbestandteile des allgemeinen Typs von industriellen Kupplungsvorrichtungen mit
elektromagnetischem Pulver sind eine Feldanordnung, umfassend eine Magnetspule,
ein als Zylinder bezeichnetes antreibendes Kupplungselement, einen Rotor als
angetriebenes Kupplungselement und Magnetpulver, das lediglich als "Pulver"
bezeichnet wird, das in einem Spalt eingefüllt ist, der zwischen dem Zylinder als
Antriebskupplungselement und dem angetriebenen Kupplungselement definiert ist und
üblicherweise als Antriebs- bzw. Betätigungsspalt bezeichnet wird.
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Bezug nehmend auf Fig. 1 wird nun die allgemeine Funktionsweise der
Kupplungsvorrichtung mit elektromagnetischem Pulver beschrieben.
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Wenn ein Zylinder 5 rotiert, indem er durch eine externe Antriebswelle oder durch eine
befestigte Antriebswelle 4 angetrieben wird, wobei die Spule 8 eines Feldelements 9
nicht erregt wird, wird das Pulver im Spalt durch Zentrifugalkraft gegen die Innenwand
des Zylinders 5 gedrückt, wodurch sich ein ringförmiger Raum zwischen der
zusammengewachsenen Oberfläche des Magnetpulvers und einem Rotor 10 bildet.
Daher kann in diesem kontaktlosen Zustand zwischen dem Pulver und dem Rotor 10
kein großes Drehmoment vom Zylinder auf den Rotor übertragen werden.
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Wenn die Feldspule 8 hingegen erregt ist, wird ein geschlossener Weg des
Magnetflusses Φ gebildet, wie dies durch die Strichlinie in Fig. 1 gekennzeichnet ist.
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Feldelement → Zylinder → Rotor → Zylinder → Feldelement.
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Dann richtet sich das Magnetpulver im Spalt entlang des Wegs des Magnetflusses Φ in
der Anordnung aus und kuppelt den Zylinder 5 an den Rotor 10, wodurch die
Antriebskraft durch den Scherwiderstand des magnetischen Pulvers vom Zylinder 5 auf
den Rotor übertragen werden kann.
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Da Fig. 1 als elektromagnetische Pulverbremse dargestellt ist, wird der Rotor 10 durch
eine fixierte Rotorbosse 10c stationär gehalten; wenn jedoch diese
Kupplungsvorrichtung als Kupplung verwendet werden soll, ist der Rotor 10 mit einer
nicht dargestellten Antriebswelle verbunden, die einstückig mit dem Rotor drehbar sein
kann.
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Da die Kupplungsvorrichtung magnetisches Pulver als kraftübertragendes Medium
verwendet, können die Kupplungsvorrichtungen dieser Art selbst unter
Schlupfbedingungen ein konstantes Drehmoment verleihen, wozu andere
Kupplungsmittel nicht imstande sind. Sie können unter kontinuierlichen
Schlupfbedingungen mit stabiler Steuerung betrieben werden. Das größte Problem
jedoch, das es zu lösen gilt, liegt darin, wie die durch den obigen kontinuierlichen
Schlupf erzeugte Wärme abzukühlen und abzuleiten ist, ein Problem, das in allen
anderen Kupplungsvorrichtungen des Reibscheibentyps nicht auftritt.
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Angesichts des obigen Problems wurden bislang einige Kühlsysteme vorgeschlagen, z. B.
die Wasserkühlung, natürliche Kühlung oder Zwangssaugluftkühlung unter Verwendung
eines oder mehrerer Gebläse, wobei sich von diesen die Wasserkühlung in bezug auf
ihre Kühlungseffizienz als zufriedenstellend erwies. Die Wasserkühlung weist jedoch
zahlreiche Nachteile auf, z. B. Schwierigkeiten bei der Bereitstellung von Rohrleitungen,
der Wasseraustritt während des Betriebs oder die mögliche Kondenswasserbildung an
zugehörigen Teilen der Vorrichtung.
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Zur Lösung der im Wasserkühlungssystem des Stands der Technik auftretenden
Probleme wurde ein in Fig. 1 dargestelltes natürliches Kühlungsmittel vorgeschlagen, das
sowohl Reibungswärme als auch Joule-Wärme, die durch einen Rotor 10 und einen
Zylinder 5 erzeugt werden, durch die Oberflächen eines Trägers 2 und eines die
Umgebungsatmosphäre kontaktierenden Trägers 3 hindurch abstrahlt. Es verteilt auch
die durch das Feldelement 9 erzeugte Joule-Wärme durch die Oberfläche des
Feldelements 9 hindurch.
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US-A-4085344, das den im Oberbegriff von Anspruch 1 angeführten Stand der Technik
darstellt, offenbart eine Magnetkupplung mit einem Zwangssaugluftkühlungsmittel. Die
Kupplung besitzt eine Vielzahl axial und radial verlaufender Rinnen durch das
Statorelement.
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In Fig. 2 sieht man ein Zwangssaugluftkühlungsmittel in einer elektromagnetischen
Pulverbremse, das das Feldelement 9 und die Träger 22 zum Halten des Feldelements 9
kühlen kann und keine derartig großen Nachteile wie das obige Wasserkühlungssystem
aufweist.
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Wie aus Fig. 2 ersichtlich, umfaßt das Kühlungsmittel ein Gebläse 1, das am Träger 22
befestigt ist, der an der Ausgangsseite der Kupplungsvorrichtung positioniert ist, und
eine Kühlrippe 5a, die durch einen Träger 26 gestützt wird, der einstückig mit der
Antriebswelle 4 drehbar ist und axial außerhalb des Zylinders 5 und im Abschnitt
zwischen dem Gebläse 1 und dem Zylinder 5 positioniert ist.
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Das Kühlungsmittel umfaßt weiters ein Wärmerohr 20a aus stark wärmeleitendem
Material, enthaltend eine Kühlrippe 20b, die am Rotor 20 an seinem axial mittleren
Abschnitt befestigt ist und mit ihm in festem Kontakt steht und sich hin zum Auslaß des
obigen Gebläses 1 axial erstreckt.
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An der Eingangsseite befindet sich eine Antriebswelle 4, die üblicherweise eine an der
Benutzerstelle zu verbindende externe Antriebswelle ist.
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Der Zylinder 5 ist durch eine Seitenplatte 7 an der Antriebswelle 4 befestigt und durch
die Außenperipherie des Rotors 20 durch einen Spalt einer bestimmten Größe
beabstandet.
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Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist ein solches Kühlungssystem, das die durch Wärmeleitung
erzeugte Wärme durch den Kontakt mit Luft an der oder den Oberflächen des Trägers
an beiden axialen Enden und der Oberfläche des Feldelements verteilt, nichts anderes
als ein natürliches Kühlungssystem. Daher ist zu erwarten, daß die Wirkung eines
solchen Kühlsystems nicht hoch genug und sein Wirkungsgrad bei Schlupf gering ist,
was zu einer niedrigeren zulässigen Arbeitsleistung führt als bei wassergekühlten
Systemen.
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Bezüglich des in Fig. 2 dargestellten Zwangssaugluftkühlungssystems sind die zum
Kühlen geeigneten Teile das Wärmerohr 20a und die Rippe 20b zum Kühlen des Rotors
20 und des Trägers 22 sowie die Rippe 5a zum Kühlen des Zylinders 5. Demzufolge
strömt die Kühlungsluft vom Gebläse 1 als gleichmäßiger Strom durch die Rippe 20b
und fließt dann etwas schräg in radialer Richtung nach außen. In der Folge wird die im
Antriebsteil der Kupplungsvorrichtung erzeugte Wärme durch den Träger 22 auf das
Feldelement 9 übertragen. Außerdem gelangt auch die an der Spule erzeugte Joule-
Wärme zum Feldelement 9, wodurch es zu einer unzulänglichen Kühlungsleistung
kommt. Dadurch ist der Schlupfwirkungsgrad im Vergleich zum wassergekühlten
System gering.
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Die vorliegende Erfindung berücksichtigt die obigen Nachteile im herkömmlichen
Kühlsystem und zielt darauf ab, diese Nachteile zu vermeiden und ein verbessertes
Kühlsystem bereitzustellen.
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Demzufolge ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Kühlwirkung der
Kupplungsvorrichtung des Stands der Technik zu steigern, die sich nur auf die
natürliche Kühlung verließ (siehe Fig. 1), deren Kühlwirkung unzulänglich war.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Kupplungsvorrichtung mit
elektromagnetischem Pulver als Wirkstoff bereitgestellt, die als Kupplung oder Bremse
zum Übertragen oder Bremsen des Drehmoments zu verwenden ist, das durch eine
externe Antriebswelle erzeugt wird, umfassend:
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ein Trägerpaar an der Eingangs- bzw. der Ausgangsseite der Vorrichtung;
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ein Feldelement, das aus einem Joch und einer Spulenanordnung besteht und an beiden
axialen Enden fest durch die Träger aufgenommen ist;
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einen Hohlzylinder, der koaxial im Innenraum des Feldelements angeordnet ist und
durch ein Paar Seitenplatten abgestützt wird, von denen jede an jeweils einem axialen
Ende des Zylinders angeordnet ist, um einstückig mit der Antriebswelle drehbar zu sein;
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einen koaxial um die Rotationsachse und axial zwischen den Seitenplatten
positionierten Rotor;
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einen kreisringförmigen, den Magnetfluß abschirmenden Ring aus nichtmagnetischem
Material, der im wesentlichen im mittleren Teil des Zylinders durch diesen hindurch
radial eingesetzt ist;
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Magnetpulver, das einen Raum zwischen dem Zylinder und dem Rotor ausfüllt, zur
Erzielung magnetischer Kupplung zwischen dem Zylinder und dem Rotor, wenn das
Feldelement erregt ist, und zur Lösung der magnetischen Kupplung, wenn das
Feldelement nicht erregt ist;
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ein Gebläse zur Erzeugung eines Kühlungszugs und eine Vielzahl an Lüftungskanälen
zum Lenken des Kühlungszugs;
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wobei die Kühlung der Wärme, die durch die Joule-Wärme und die Reibungswärme
den zugehörigen Teilen der Kupplungsvorrichtung erzeugt wird, mittels natürlicher
Kühlung durch die Außenfläche der Teile oder Komponenten hindurch erzielt wird;
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wobei die Träger an jedem axialen Ende radial verlaufen, so daß sie zumindest einen
Luftraum mit ausreichendem Innenvolumen definieren;
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worin:
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dieses Gebläse am radial äußeren peripheren Ende der Träger angeordnet ist, um einen
Kühlluftzug zum Feldelement zu blasen, und worin die Vielzahl an Lüftungskanälen aus
zwei Arten von Luftwegen besteht, die durch das Feldelement hindurch ausgebildet
sind, wobei ein erster Weg im allgemeinen durch das Innere des Feldelements entlang
der Außenflächen der Spulenanordnung an den axialen Enden an der Eingangs- und der
Ausgangsseite und schräg zum axialen Mittelpunkt des Zylinders und sodann axial
durch das Innere des Zylinders in entgegengesetzten Richtungen zur Eingangs- und
Ausgangsseite führt, und wobei ein zweiter Weg radial durch das Feldelement an der
Stelle angrenzend zu den beiden axialen Enden an der Eingangs- und der Ausgangsseite
und gerade zum Auslaß hinunterführt, der an der Gegenseite des Feldelements
angrenzend zu den Auslässen des ersten Wegs geöffnet ist;
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wodurch der Kühlluftzug durch ein Paar Ausgangslüftungen strömt, die Öffnungen an
jedem der Träger an der Eingangs- und der Ausgangsseite und im Abschnitt, der im
wesentlichen mit den Auslässen der zwei Arten von Luftwegen korrespondiert,
aufweisen.
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Es folgt eine ausführliche Beschreibung der vorliegenden Erfindung anhand von
Beispielen und unter Bezugnahme auf die beigelegten Abbildungen, worin:
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Fig. 1 eine halbe Querschnittvorderansicht einer elektromagnetischen Pulverbremse des
Typs nach dem Stand der Technik ist, bei der ein natürliches Kühlsystem verwendet
wird;
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Fig. 2 eine halbe Querschnittvorderansicht einer elektromagnetischen Pulverbremse
eines weiteren Typs des Stands der Technik ist, bei der ein Zwangssaugluftkühlsystem
verwendet wird;
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Fig. 3 eine halbe Querschnittvorderansicht einer erfindungsgemäßen
Kupplungsvorrichtung mit elektromagnetischem Pulver als Wirkstoff ist;
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Fig. 4 eine vergrößerte perspektivische Teilansicht entlang der Pfeilmarkierung IV von
Fig. 3 ist.
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Bezug nehmend auf Fig. 3 und 4 sind ein oder mehrere Gebläse 31, die ein
Antriebsmittel wie z. B. einen nicht dargestellten Motor umfassen, auf der durch die
Träger 32 und 33 definierten radialen Außenperipherie angeordnet.
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Träger 32 und 33 zum Abstützen eines Hohlzylinders 35, von denen jeder an einem
jeweiligen gegenüberliegenden axialen Ende der Kupplungsvorrichtung befestigt ist,
verlaufen radial nach außen, und eine obere Platte, d. h. eine äußere periphere Wand,
die die radial äußeren Enden der sich so erstreckenden zwei Träger 32 und 33
verbindet, ist vorgesehen.
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Eine obere Abdeckung 39e, die die Innenkammer abdeckt, in der sich die
Spulenanordnung 8 befindet, ist radial von einer oder mehreren Gruppen an
Lüftungskanälen durchsetzt, wobei jeder Kanal aus einer Lüftungsöffnung 39b mit
großem Durchmesser im axial mittleren Teil der oberen Abdeckung 39e und einem Paar
kleiner Lüftungen 39c besteht, von denen sich jede an jeweils einem axialen Ende der
oberen Abdeckung 39e öffnet.
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Die Lüftungsöffnung 39b öffnet sich durch die obere Abdeckung 39e, so daß sie in
Kommunikation mit dem Innenteil des Feldelements 39 durch zumindest ein Paar an
Lüftungsnuten 39d stehen kann, von denen jede im Spulenelement 8 an einer
geeigneten Position axial ausgebildet ist (z. B. im Feldelement 39), und nimmt dann
entlang der Außenfläche der Spule an beiden axialen Enden einen etwas komplizierten
Verlauf, wobei diese Lüftungsnuten 39d schräg und axial nach innen zu einem Ring 35'
zur Abschirmung des Magnetflusses (nachstehend einfach als Abschirmungsring
bezeichnet) führen, der den Magnetfluß daran hindert, eine Abkürzung durch den
Zylinder 35 zu nehmen, was weiter unten beschrieben wird.
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Das Paar an kleinen Lüftungen 39c, von denen sich jede in der Nähe jedes axialen
Endes der oberen Abdeckung 39e öffnet, führt direkt radial nach innen zum inneren
Ende des Feldelements 39 und hin zum axialen Ende des Zylinders 35. Die
Lüftungsöffnung 39b und das Paar an kleinen Lüftungen 39c sind in axialer Richtung
miteinander ausgerichtet.
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Der Zylinder 35 besitzt im allgemeinen eine hohlzylindrische Form und ist zumindest
mit einem und vorzugsweise mit einer Vielzahl an axial geöffneten
Lüftungsdurchgängen 35b versehen, die als Löcher oder in Abschnitte unterteilte
Öffnungen am Umfang beabstandet sind. Jeder dieser Lüftungsdurchgänge 35b führt
axial durch die periphere Wand des Zylinders 35.
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Die Abschirmungsringe 35', die radial im axial mittleren Teil des Zylinders eingesetzt
sind, sind teilweise weggeschnitten, so daß sie eine Vielzahl an Lüftungsausnehmungen
35c bilden, von denen jede die obigen axial geöffneten Lüftungsdurchgänge 35b des
Zylinders 35 schneidet, so daß jeder der Lüftungsdurchgänge 35b mit dem Paar an
Lüftungsnuten 39d und schließlich mit dem am Auslaß des Gebläses 31 definierten
Luftraum 31c kommunizieren kann.
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Da die Lüftungsdurchgänge 35b durch die periphere Wand des Zylinders 5 hindurch
geöffnet sind und jedes axiale Ende des Lüftungsdurchgangs 35b der Seitenwand der
Träger 32 und 33 jeder axialen Seite der Kupplungsvorrichtung gegenübersteht, und da
jede Seitenwand der Träger 32 und 33 geöffnet ist, um ein Durchgangsloch als
Ausgangslüftung 32b oder 33b in Kommunikation mit den Räumen 32e bzw. 33e
aufzuweisen, die zwischen der Seitenplatte 6 und dem Träger 32 selbst und in ähnlicher
Weise zwischen der Seitenplatte 7 und dem Träger 33 selbst ausgebildet sind, kann jede
dieser Ausgangslüftungen 32b und 33b mit den kleinen Lüftungen 39c an beiden
axialen Enden des Feldelements 9 und schließlich mit dem vom Gebläse 31
kommenden Luftzug kommunizieren.
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Jede der obigen Lüftungsöffnungen 39b im Mittelteil der oberen Abdeckung 39e des
Feldelements 39 kann andererseits in Kommunikation mit einer der beiden
Ausgangslüftungen 32b oder 33b stehen, indem der Fluß durch eine der beiden axialen
Hälften des Lüftungsdurchgangs 35b erfolgt.
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Nun wird die Funktionsweise des Kühlungsmittels erklärt.
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Zur Erläuterung des Luftstroms geht die folgende Erklärung nur von einem Gebläse in
der Kupplungsvorrichtung aus, wobei zugehörige Lüftungskanäle aus mehreren
unterschiedlichen Arten an Öffnungen bestehen, die für den aus dem Gebläse 31
eingeblasenen Kühlungsluftstrom vorgesehen sind.
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Die radial von jedem Gebläse 31 geblasene Luft wird in drei radiale Ströme eingeteilt,
die alle durch das Feldelement 39 gelangen, d. h. einen mittleren Hauptstrom B, der
durch die mittlere Lüftungsöffnung 39b des Feldelements fließt, und zwei
Zweigseitenströme A, die jeweils radial durch das Paar kleiner Lüftungen 39c fließen,
die in der Nähe der gegenüberliegenden axialen Enden des Feldelements 39 geöffnet
sind.
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Die als Hauptstrom B in die Lüftungsöffnung 39b eingeblasene Luft fließt durch die
Lüftungsöffnung 39b, dann wird der Luftfluß in zwei radiale Ströme geteilt, die jeweils
durch zwei etwas gewundene Wege entlang der Außenfläche der Spulenanordnung und
zum Mittelteil des radial inneren Teils des Feldelements fließen, wo sich der
Abschirmungsring 35' befindet.
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Die Luft strömt durch die gewundenen Ausnehmungen entlang beider
Randaußenflächen der Spulenanordnung, vereint sich in der Lüftungsausnehmung 35c
des gebohrten Teils des Abschirmungsrings 35' wieder zu einem einzelnen Strom, doch
die Luft, die durch die Lüftungsausnehmung 35c strömte, teilt sich sofort wieder in zwei
axiale Ströme auf, einen in Richtung zur Eingangsseite und einen anderen in Richtung
Ausgangsseite, und jeder fließt axial durch jede der zwei Hälften des
Lüftungsdurchgangs 35 hinunter zum Auslaß, wo die durch den Lüftungsdurchgang 35b
in zwei entgegengesetzte Richtungen strömende Kühlluft aus jeder der
Ausgangslüftungen 32b und 33b austreten kann, die durch jede Seitenwand der Träger
an beiden Seiten geöffnet sind.
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Wie bereits erwähnt, kann das Luftkühlungssystem problemlos mit den folgenden
Bestandteilen ausgestattet werden: mit radial verlaufenden Trägern an beiden axialen
Enden, mit einem oder mehreren Gebläsen auf der peripheren Wand der so
verlaufenden Träger und mit einer Vielzahl an Lüftungskanälen, die in zwei Wege
eingeteilt werden können, einen ersten mittleren Weg, umfassend Lüftungsöffnung 39b,
Lüftungsnuten 39d, Lüftungsausnehmung 35c und Lüftungsdurchgang 35b, wodurch die
aus dem Gebläse eingeblasene Luft als Hauptstrom B radial durch den Mittelteil fließen
kann und sich dann in zwei axiale Ströme zu den Ausgangslüftungen an beiden axialen
Enden teilt, und einen zweiten Abzweigungsweg durch beide sowohl das axiale Ende
des Feldelements als auch direkt zu den Lüftungsöffnungen, wodurch die eingeblasene
Luft als zweiter Strom A fließen kann.
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In der Folge können die Joule-Wärme am Feldelement und Reibungswärme in
Verbindung mit Joule-Wärme am Zylinder und Rotor wirkungsvoll abgeführt werden,
ohne daß irgendwelche Probleme in bezug auf Rohrleitungen, Wasseraustritte und
Taubildung wie in Wasserkühlungssystemen auftauchen.